Pour la toute première fois, des physiciens ont réalisé une célèbre expérience physique en utilisant un positron (positon ou encore antiélectron) — l’antiparticule associée à l’électron, l’une des particules élémentaires. Les résultats sont plus qu’intéressants.

L’expérience en question n’est autre que la version « antimatière » des fentes de Young (ou interférences de Young). Cette dernière consiste à faire interférer deux faisceaux de lumière issus d’une même source, en les faisant passer par deux petits orifices d’un plan opaque. Dans le cadre de cette nouvelle version de l’expérience, les résultats ne sont pas seulement intéressants. En effet, cela pourrait mener à des découvertes potentiellement révolutionnaires.

Réalisée pour la première fois par Thomas Young en 1801, les fentes de Young ont permis de comprendre le comportement et la nature de la lumière. Grâce à un écran placé en face de deux fentes, un motif de diffraction peut être observé, qui consiste en une zone où l’on peut distinguer des franges sombres et des franges claires (illuminées).

fentes young experience simulation

Simulation des interférences obtenues après les fentes de Young : les deux points en bas de l’image représentent les sources de lumière. Crédits : Wikipédia

Cette expérience a alors permis de mettre en évidence la nature ondulatoire de la lumière. Elle a également été réalisée avec de la matière (électrons, neutrons, atomes, molécules) et dans tous ces cas, des interférences ont pu être observées. Cela a permis d’illustrer la dualité onde-particule : les interférences montrent le comportement ondulatoire de la matière, tandis que la façon dont la détection est faite (impact des particules sur un écran) montre le comportement particulaire.

Les particules telles que les électrons existent sous forme d’ondes jusqu’à ce qu’elles soient mesurées et dotées de propriétés, y compris d’une position exacte. Donc si un électron ne subit aucune mesure, est-ce qu’il pourrait se faufiler à travers les deux fentes comme le ferait une vague, se séparer et se reformer pour interférer avec lui-même, tout comme la lumière ? Aussi absurde que cela puisse paraître, c’est exactement ce qui se passe.

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Alors que diverses expériences utilisant des flux d’électrons ont été réalisées dans les décennies qui ont suivi l’expérience de pensée de Feynman, ce n’est qu’en 1989 que les chercheurs japonais d’Hitachi ont réussi à « tirer » des électrons isolés sur un écran, un par un.

Depuis lors, la même étrangeté quantique a été démontrée pour tous les types de grosses particules, y compris des molécules entières. Les expériences montrent à chaque fois que des morceaux de matière discrets, quelle que soit leur taille, ont des comportements ondulatoires.

Mais pour l’antimatière, c’est une toute autre histoire. Ce n’est déjà pas la matière la plus facile à étudier dans l’Univers. Mais en théorie, celle-ci devrait également se comporter comme une onde et une particule, bien qu’elle n’ait jamais été observée directement.

La version « antimatière » de l’expérience a été réalisée par des chercheurs suisses et italiens afin de poser les bases d’une nouvelle série d’expériences extrêmement sensibles, susceptibles de résoudre certains mystères concernant les deux types de matière connus, à savoir la matière baryonique (ordinaire) et l’antimatière.

Notre vie quotidienne est dominée par la forme baryonique de la matière, que nous appelons communément « matière ». Mais chaque élément du « catalogue » des particules élémentaires possède un équivalent d’antimatière, qui partage la plupart de ses caractéristiques à l’exception d’une charge inversée, et de quelques autres différences quantiques.

Le fait de « rassembler » deux particules identiques mais de charge différente (matière/antimatière) provoque une annihilation de ces dernières. Celles-ci disparaissent littéralement en dégageant une certaine énergie.

Ce phénomène soulève donc des questions intéressantes : si nous sommes entourés d’un type de matière, cela signifie-t-il qu’il existe plus de matière ordinaire que d’antimatière ? Et si oui, qu’est-ce qui fait la différence de chaque type de matière ?

Jusqu’à présent, nos meilleures tentatives d’explication n’ont pas permis de trouver le moindre indice fiable. Les deux domaines de la matière sont toujours, à toutes fins utiles, identiques.

Selon le modèle standard de la physique des particules, l’antimatière devrait également obéir aux lois de la gravité de la même manière que la matière ordinaire. Et une poignée de tentatives expérimentales pour comparer les deux domaines de matière corroborent cette théorie.

Mais cela n’empêche pas les physiciens de chercher de nouvelles façons d’identifier les failles de cette théorie, surtout quand l’importance de cette dernière remet en jeu notre compréhension même de l’Univers et de son existence.

Même une différence subtile dans la façon dont la gravité affecte l’antimatière pourrait représenter la grande découverte dont les scientifiques auraient besoin pour aller de l’avant. Mais la gravité, à petite échelle, agit sur la matière de façon trop faible pour qu’elle puisse permettre d’enquêter efficacement sur le sujet.

Cela amène donc les chercheurs à l’une des expériences les plus classiques de la physique, que les physiciens viennent donc de réaliser avec une particule d’antimatière.

Pour mener l’expérience, les chercheurs ont utilisé une installation spéciale, située en Italie, appelée Laboratoire d’épitaxie de nanostructures et de spintronique sur silicium, ou L-NESS.

Les positrons — des électrons possédant une charge positive au lieu d’une charge négative — ont été filtrés à partir d’une matière radioactive en décomposition et ont été soumis à un montage en deux étapes appelé interféromètre de Talbot-Lau.

C’est une version légèrement plus complexe du réseau à double fente et de l’écran de l’expérience de Young standard, mais le principe reste le même.

Après 200 heures de dégagement de positrons, les physiciens ont analysé le motif ondulé pour montrer que les positrons individuels agissent bien comme des ondes lorsqu’aucune mesure n’est effectuée, tout comme cela est le cas pour la matière ordinaire.

À l’heure actuelle, il s’agit plus d’une preuve de concept pour la technique d’observation plutôt qu’une preuve définitive théorique, ce qui permet d’envisager l’utilisation de la méthode pour comparer la matière et l’antimatière dans de futures expériences. Le travail des chercheurs doit également être examiné par des pairs, mais est déjà accessible sur le site web de pré-publication Arxiv.org.

En plus d’une méthode de comparaison de la matière et de l’antimatière, cette expérience représente une étape encourageante et passionnante vers un nouveau chapitre de la recherche sur l’antimatière. Si les positrons montrent la moindre différence concernant l’attraction gravitationnelle, nous aurons besoin d’outils suffisamment sensibles pour le voir et le confirmer.

Un test comme celui-ci ne peut pas garantir la détection de telles anomalies, mais il pourrait conduire au type d’expériences ultra-sensibles dont nous avons besoin pour percer ces mystères. Les motifs d’interférence sont ce que nous utilisons pour détecter les plus faibles oscillations causées par les ondes gravitationnelles, par exemple.

L’étape suivante consiste à collecter davantage de données concernant l’expérience afin d’obtenir plus de réponses sur le comportement de l’antimatière.

Source : Arxiv.org

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